DE102021109410A1 - Non-invasive thermometer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Koppelelement (7) für eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere der Temperatur (T), des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums (M) in einem Behältnis (2) zur Befestigung an dem Behältnis (2), sowie eine Vorrichtung (1) mit einem erfindungsgemäßen Koppelelement (7). Das Koppelelement (7) umfasst einen Grundkörper (8) mit einer Kontaktfläche (9), welche derart ausgestaltet ist, dass der Grundkörper (8) vermittels der Kontaktfläche (9) flächig an das Behältnis (2) anlegbar ist, wobei der Grundkörper (8) eine Bohrung zur Aufnahme eines Sensorelements (3,5) der Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße aufweist, und wobei eine Längsachse (L) der Bohrung (8) tangential zu der Kontaktfläche (9) verläuft.The invention relates to a coupling element (7) for a device (1) for determining and/or monitoring a process variable, in particular the temperature (T), the flow rate or the flow rate, of a medium (M) in a container (2) for attachment the container (2), and a device (1) with a coupling element (7) according to the invention. The coupling element (7) comprises a base body (8) with a contact surface (9) which is designed in such a way that the base body (8) can be placed flat against the container (2) by means of the contact surface (9), the base body (8 ) has a bore for receiving a sensor element (3.5) of the device (1) for determining and/or monitoring the process variable, and wherein a longitudinal axis (L) of the bore (8) runs tangentially to the contact surface (9).
Description
Die Erfindung betrifft ein Koppelelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere der Temperatur, des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums in einem Behältnis zur Befestigung an dem Behältnis sowie eine entsprechende Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Koppelelement. Bei dem Behältnis handelt es sich beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung.The invention relates to a coupling element for a device for determining and/or monitoring a process variable, in particular the temperature, the flow rate or the flow rate, of a medium in a container for attachment to the container, and a corresponding device with a coupling element according to the invention. The container is, for example, a container or a pipeline.
Obgleich das erfindungsgemäße Koppelelement auch für andere Arten von Feldgeräten Verwendung findet, fokussiert sich die nachfolgende Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf Feldgeräte in Form von Thermometern. Thermometer sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials oder eine davon abgeleitete Größe mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise den elektrischen Widerstand bei Verwendung von Widerstandselementen oder den thermoelektrischen Effekt im Falle von Thermoelementen. Dagegen wird bei Strahlungsthermometern, insb. Pyrometern, zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils zugrundeliegenden Messprinzipien sind jeweils in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben worden.Although the coupling element according to the invention is also used for other types of field devices, the following description focuses on field devices in the form of thermometers without restricting the generality. Thermometers have become known in a wide variety of configurations from the prior art. There are thermometers that use the expansion of a liquid, a gas or a solid with a known coefficient of expansion to measure the temperature, or those that relate the electrical conductivity of a material or a quantity derived from it to the temperature, such as the electrical resistance when using resistance elements or the thermoelectric effect in the case of thermocouples. In contrast, radiation thermometers, especially pyrometers, use the thermal radiation of a substance to determine its temperature. The measurement principles on which they are based have each been described in a large number of publications.
Bei einem Temperatursensor in Form eines Widerstandselements sind unter anderem sogenannte Dünnschicht- und Dickschicht-Sensoren sowie sogenannte Heißleiter (auch als NTC-Thermistoren bezeichnet) bekannt geworden. Bei einem Dünnschicht-Sensor, insbesondere einem Resistance Temperature Detector (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Als Sensorelemente werden sogenannte Widerstandselemente, welche beispielsweise durch Platinelemente gegeben sind, verwendet, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind.In the case of a temperature sensor in the form of a resistance element, so-called thin-film and thick-film sensors and so-called thermistors (also referred to as NTC thermistors) have become known, among other things. In the case of a thin-film sensor, in particular a resistance temperature detector (RTD), a sensor element provided with connecting wires and applied to a carrier substrate is used, for example, with the rear side of the carrier substrate usually being metallically coated. So-called resistance elements, which are provided for example by platinum elements, are used as sensor elements, which are also commercially available under the designations PT10, PT100 and PT1000, among others.
Bei Temperatursensoren in Form von Thermoelementen wiederum wird die Temperatur durch eine Thermospannung bestimmt, die zwischen den einseitig angeschlossenen Thermodrähten aus unterschiedlichen Materialien entsteht. Zur Temperaturmessung werden üblicherweise Thermoelemente nach DIN-Norm IEC584, z.B. Thermoelemente vom Typ K, J, N, S, R, B, T oder E, als Temperaturfühler eingesetzt. Aber auch andere Materialpaare, insbesondere solche mit einem messbaren Seebeck-Effekt, sind möglich.In the case of temperature sensors in the form of thermocouples, on the other hand, the temperature is determined by a thermal voltage that arises between the thermowires made of different materials and connected on one side. Thermocouples according to DIN standard IEC584, e.g. thermocouples of type K, J, N, S, R, B, T or E, are usually used as temperature sensors for temperature measurement. However, other pairs of materials, in particular those with a measurable Seebeck effect, are also possible.
Die Genauigkeit der Temperaturmessung hängt empfindlich von den jeweiligen thermischen Kontakten und der jeweils vorherrschenden Wärmeleitung ab. Die Wärmeströme zwischen dem Medium, dem Behältnis, in welchem sich das Medium befindet, dem Thermometer und der Prozessumgebung spielen hier eine entscheidende Rolle. Für eine zuverlässige Temperaturbestimmung ist es wichtig, dass der jeweilige Temperatursensor und das Medium sich zumindest für eine bestimmte Zeit, welche zur Erfassung der Temperatur erforderlich ist, im Wesentlichen im thermischen Gleichgewicht befinden. Die Zeit für eine Reaktion eines Thermometers auf eine Temperaturänderung wird auch als Ansprechzeit des Thermometers bezeichnet.The accuracy of the temperature measurement depends sensitively on the respective thermal contacts and the prevailing heat conduction. The heat flows between the medium, the container in which the medium is located, the thermometer and the process environment play a crucial role here. For a reliable temperature determination, it is important that the respective temperature sensor and the medium are essentially in thermal equilibrium, at least for a specific time that is required for detecting the temperature. The time it takes for a thermometer to respond to a change in temperature is also known as the thermometer's response time.
Eine hohe Messgenauigkeit lässt sich insbesondere dann erzielen, wenn der Temperatursensor in das jeweilige Medium eintaucht. So sind zahlreiche Thermometer bekannt geworden, bei denen der Temperatursensor mehr oder weniger direkt mit dem jeweiligen Medium in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise lässt sich eine vergleichsweise gute Kopplung zwischen dem Medium und dem Temperatursensor erzielen.A high measurement accuracy can be achieved in particular when the temperature sensor is immersed in the respective medium. Numerous thermometers have become known in which the temperature sensor is brought into contact more or less directly with the respective medium. A comparatively good coupling between the medium and the temperature sensor can be achieved in this way.
Für verschiedene Prozesse und für viele Behältnisse, insbesondere kleine Behälter oder Rohrleitungen, ist jedoch eine nicht-invasive Bestimmung der Temperatur vorteilhafter. So sind ebenfalls Thermometer bekannt geworden, die von außen/innen an dem jeweiligen Behältnis, in dem sich das Medium befindet, befestigt werden können. Solche Geräte, auch Oberflächenthermometer oder Anlegefühler genannt, sind beispielsweise aus Dokumenten wie der
Als Oberflächen- oder Hautpunktthermometer werden häufig Messeinsätze mit Temperatursensoren in Form von Thermoelementen verwendet, die direkt an die Außenfläche oder Haut des Rohres oder Behälters angeschweißt werden. In solchen Fällen kann der Austausch der Thermoelemente jedoch zu einem zeitaufwändigen und kostspieligen Prozess werden, insbesondere weil ein Austausch eine vorübergehende Abschaltung des Prozesses und/oder der Anwendung erfordern kann. Um diese Nachteile zu überwinden, sind beispielsweise aus der
Darüber hinaus sind zahlreiche, unterschiedliche Ausgestaltungen von Thermometern zur nicht invasiven Temperaturmessung bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten
Eine zentrale Problematik bei der nicht-invasiven Temperaturbestimmung stellt die Wärmeableitung vom Prozess an die Umgebung dar. Diese sorgt für einen deutlich höheren Messfehler als im Falle einer direkten Einbringung des jeweiligen Temperatursensors in den Prozess.A central problem with non-invasive temperature determination is the heat dissipation from the process to the environment. This causes a significantly higher measurement error than in the case of a direct introduction of the respective temperature sensor into the process.
Dieselbe Problematik ergibt sich beispielsweise auch für den Fall eines auf dem thermischen Messprinzips beruhenden Durchflussmessgeräts zur Bestimmung eines Durchflusses oder einer Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einer Rohrleitung. Derartige Feldgeräte umfassen typischerweise zumindest zwei Sensorelemente mit zumindest einem Temperatursensor und zumindest einem Heizelement oder beheizbaren Temperatursensor. Die Sensorelemente können sowohl in die jeweilige Rohrleitung eingebracht werden als auch in oder an ein Messrohr integriert werden (nicht-invasiver Aufbau).The same problem also arises, for example, in the case of a flow meter based on the thermal measurement principle for determining a flow rate or a flow rate of a medium in a pipeline. Such field devices typically include at least two sensor elements with at least one temperature sensor and at least one heating element or heatable temperature sensor. The sensor elements can be introduced into the respective pipeline as well as integrated into or onto a measuring tube (non-invasive construction).
Ausgehend von der beschriebenen Problematik der Wärmeableitung bei der nicht-invasiven Temperaturbestimmung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit welcher die nicht-invasive Ermittlung der Temperatur eines Mediums, insbesondere die Messgenauigkeit, verbessert werden kann.Proceeding from the described problem of heat dissipation in non-invasive temperature determination, the object of the invention is to provide a possibility with which the non-invasive determination of the temperature of a medium, in particular the measurement accuracy, can be improved.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Koppelelement gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the coupling element according to
Hinsichtlich des Koppelelements wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Koppelelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere der Temperatur, des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums in einem Behältnis zur Befestigung an dem Behältnis, welches Koppelelement einen Grundkörper mit einer Kontaktfläche umfasst, welche derart ausgestaltet ist, dass der Grundkörper vermittels der Kontaktfläche flächig an das Behältnis anlegbar ist, wobei der Grundkörper eine Bohrung zur Aufnahme eines Sensorelements der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße aufweist, und wobei eine Längsachse der Bohrung tangential zu der Kontaktfläche verläuft.With regard to the coupling element, the object on which the invention is based is achieved by a coupling element for a device for determining and/or monitoring a process variable, in particular the temperature, the flow rate or the flow rate, of a medium in a container for attachment to the container, which coupling element has a Base body with a contact surface, which is designed in such a way that the base body can be placed flat against the container by means of the contact surface, wherein the base body has a bore for receiving a sensor element of the device for determining and/or monitoring the process variable, and wherein a longitudinal axis of the Bore is tangential to the contact surface.
Das Koppelement dient der gezielten Verteilung von Wärme aus dem Prozess zu dem Sensorelement und damit zur Verbesserung des thermischen Kontakts bzw. zur Gewährleistung eines thermischen Gleichgewichts zwischen der Wandung des Behältnisses und dem Sensorelement.The coupling element is used for the targeted distribution of heat from the process to the sensor element and thus to improve the thermal contact or to ensure thermal equilibrium between the wall of the container and the sensor element.
Die Bohrung ist zur Aufnahme des Sensorelements, insbesondere eines Temperatursensors, welcher vorzugsweise in einem Messeinsatz angeordnet ist, ausgestaltet. Durch das Koppelelement wird demnach das in die Bohrung einbringbare Sensorelement relativ zum Behältnis angeordnet bzw. ausgerichtet. Unter einem tangentialen Verlauf der Bohrung relativ zur Kontaktfläche seien im Folgenden unterschiedliche mögliche Anordnungen verstanden, denen gemeinsam ist, dass eine Längsachse durch die Bohrung in einer Ebene parallel zu einer Tangente an die, typischerweise gekrümmte, Wandung des Behältnisses verläuft. Dabei kann je nach Ausgestaltung beispielsweise ein Abstand zwischen einem, insbesondere gedachten Berührungspunkt der Tangente und der Längsachse der Bohrung oder auch ein Winkel zwischen der Tangente und der Längsachse der Bohrung unterschiedlich sein. Darüber hinaus sind zahlreiche weitere Varianten für die Ausgestaltung des Koppelelements, insbesondere des in die Bohrung einbringbaren Sensorelements relativ zur Wandung des Behältnisses denkbar, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.The bore is designed to accommodate the sensor element, in particular a temperature sensor, which is preferably arranged in a measuring insert. The sensor element that can be introduced into the bore is accordingly arranged or aligned relative to the container by the coupling element. A tangential course of the bore relative to the contact surface is understood below to mean different possible arrangements which have in common that a longitudinal axis runs through the bore in a plane parallel to a tangent to the typically curved wall of the container. Depending on the design, for example, a distance between a particular imaginary point of contact of the tangent and the longitudinal axis of the bore or an angle between the tangent and the longitudinal axis of the bore can be different. In addition, numerous other variants are conceivable for the configuration of the coupling element, in particular of the sensor element that can be introduced into the bore, relative to the wall of the container, which also fall within the scope of the present invention.
Die Prozessgröße, insbesondere die Temperatur, der Durchfluss oder die Strömungsgeschwindigkeit, des Mediums wird demnach über eine Wandung des Behältnisses indirekt bestimmt. Durch das Koppelelement, insbesondere durch Anordnung der Bohrung relativ zur Kontaktfläche bzw. relativ zur Wandung des Behältnisses wird eine Kontaktfläche zwischen dem Sensorelement und einem dem Sensorelement zugewandten Abschnitt der Wandung des Behältnisses deutlich vergrößert. Auf diese Weise wird die Wärmeleitung von dem Medium über die Wandung des Behältnisses hin zu dem Sensorelement und ggf. vorhandenen das Sensorelement kontaktierenden Anschlussleitungen deutlich erhöht. Zudem wird ein Temperaturgradient reduziert. Diese Effekte wiederum führen sämtlich zu einer verbesserten Messgenauigkeit.The process variable, in particular the temperature, the flow rate or the flow rate, of the medium is accordingly determined indirectly via a wall of the container. Through the coupling element, in particular through the arrangement of the bore relative to the contact surface or relative to the wall of the container, a contact surface between the sensor element and a section of the wall of the container facing the sensor element is significantly enlarged. In this way, the conduction of heat from the medium via the wall of the container to the sensor element and possibly present connecting lines contacting the sensor element is significantly increased. In addition, a temperature gradient is reduced. These effects in turn all lead to improved measurement accuracy.
Die Vermeidung von sogenannten Wärmeableitfehlern sind insbesondere ein grundsätzliches Problem im Bereich der industriellen Temperaturbestimmung, unabhängig davon, ob jeweils ein Thermometer oder ein Durchflussmessgerät verwendet wird. Im Falle von invasiven Thermometern ist in diesem Zusammenhang vielfach von der sogenannten minimalen Eintauchtiefe in den jeweiligen Prozess die Rede, welche üblicherweise mindestens das Zehnfache des Thermometerdurchmessers betragen sollte. Bei einem beispielsweise durch die Verwendung eines Schutzrohrs verschlechterten thermischen Kontakt sollte die minimale Eintauchtiefe sogar mehr als das Zehnfache des Thermometerdurchmessers betragen. Im Falle von Blockkalibratoren beträgt die minimale Eintauchtiefe üblicherweise das fünfzehnfache des Durchmessers des zur Kalibration verwendeten Referenzthermometers. Im Falle einer nicht-invasiven Temperaturbestimmung müssen dagegen, wie im Falle der vorliegenden Erfindung, andere Maßnahmen zur Gewährleistung einer homogenen Temperierung des jeweiligen Sensorelements ergriffen werden. Dies ist allerdings aufgrund des sehr inhomogenen Wärmeeintrags bei einer derartigen Messung deutlich komplexer als im Falle einer invasiven Temperaturbestimmung. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Koppelelements stellt in diesem Zusammenhang eine besonders effektive Maßnahme dar.The avoidance of so-called heat conduction errors is a fundamental problem in the field of industrial temperature determination, regardless of whether a thermometer or a flow meter is used. In the case of invasive thermometers, the so-called minimum immersion depth in the respective process is often mentioned in this context, which should usually be at least ten times the diameter of the thermometer. If the thermal contact has deteriorated, for example through the use of a protective tube, the minimum immersion depth should be more than ten times the diameter of the thermometer. In the case of block calibrators, the minimum immersion depth is usually fifteen times the diameter of the reference thermometer used for calibration. In contrast, in the case of a non-invasive temperature determination, as in the case of the present invention, other measures must be taken to ensure a homogeneous temperature control of the respective sensor element. However, due to the very inhomogeneous heat input in such a measurement, this is significantly more complex than in the case of an invasive temperature determination. The use of a coupling element according to the invention represents a particularly effective measure in this context.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es einerseits denkbar, das Sensorelement unmittelbar in die Bohrung einzubringen. Es ist aber ebenfalls denkbar, dass das Sensorelement Teil eines, insbesondere länglichen, Messeinsatzes ist, welcher Messeinsatz in die Bohrung einbringbar ist. Das Koppelelement kann dabei über eine Bohrung oder mehrere Bohrungen verfügen, in welche ein oder mehrere Sensorelemente eingebracht werden können. Es ist ebenfalls denkbar, mehrere Sensorelemente in dieselbe Bohrung einzubringen. Darüber hinaus kann in eine Bohrung auch, gemeinsam oder getrennt von einem Sensorelement, eine Einheit zum Heizen und/oder Kühlen eines das Sensorelement umgebenden Bereichs eingebracht werden.In the context of the present invention, it is conceivable, on the one hand, to insert the sensor element directly into the bore. However, it is also conceivable that the sensor element is part of a measuring insert, in particular an elongate measuring insert, which measuring insert can be introduced into the bore. The coupling element can have one or more bores, into which one or more sensor elements can be introduced. It is also conceivable to introduce several sensor elements into the same bore. In addition, a unit for heating and/or cooling an area surrounding the sensor element can also be introduced into a bore, together with or separately from a sensor element.
Die Vorrichtung kann optional weiterhin über eine Elektronik verfügen. Alternativ kann die Elektronik auch eine separate, mit der Vorrichtung verbindbare, Komponente sein. Das Koppelelement kann ferner mittels allen dem Fachmann üblichen und geeigneten Befestigungsmitteln, wie z.B. Klemmen oder Rohrschellen, an dem Behältnis befestigt werden.The device can optionally also have electronics. Alternatively, the electronics can also be a separate component that can be connected to the device. The coupling element can also be fastened to the container by means of all fastening means that are customary and suitable for a person skilled in the art, such as clamps or pipe clamps.
Im Gegensatz zu verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei welchen der Messeinsatz beispielsweise senkrecht zu einer Längsachse des Behältnisses auf das Behältnis aufgesetzt und entsprechend über die Stirnfläche in thermischen Kontakt kommt, wird der Messeinsatz im Falle der vorliegenden Erfindung mittels des Koppelelements tangential an einer Wandung des Behältnisses vorbeigeführt. Entsprechend erfolgt die thermische Kontaktierung zwischen dem Sensorelement und der Wandung des Behältnisses über eine Mantelfläche des Messeinsatzes. Eine derartige Anordnung bietet verschiedene Vorteile: Zum einen kann ein vergleichsweise kompakter bzw. platzsparender Aufbau erreicht werden. Zudem bewirkt das erfindungsgemäße Koppelelement eine deutlich verbesserte Wärmeleitung zwischen dem Medium und dem Sensorelement, und damit einhergehend eine deutlich verbesserte Messgenauigkeit hinsichtlich der Bestimmung der Prozessgröße, insbesondere der Temperatur des Mediums oder eine mit der Temperatur in Beziehung stehenden Größe, wie beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit oder dem Durchfluss. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Abstand zwischen der Wandung des Behältnisses und dem Sensorelement bei der erfindungsgemäßen Lösung vermittels des Koppelelements im Bereich einer Mantelfläche des Sensorelements minimal ist. Durch geeignete Ausgestaltung des Koppelelements bzw. der Anordnung der Bohrung im Grundkörper relativ zur Kontaktfläche kann der Abstand besonders einfach minimiert werden, was eine verbesserte Wärmeleitung zur Folge hat. Vorteilhaft ist es möglich, einen Abstand zu erreichen, der deutlich kleiner ist als ein entsprechender Abstand bei anderen Anordnungen des Sensorelements relativ zum Behältnis. Zudem kann durch das erfindungsgemäße Koppelelement eine flächige Kontaktierung zur Wandung des Behältnisses erreicht werden, was die Wärmeleitung vom Medium zu dem Sensorelement ebenfalls vergrößert und damit einhergehend, die Messgenauigkeit verbessert.In contrast to various solutions known from the prior art, in which the measuring insert is placed on the container, for example perpendicular to a longitudinal axis of the container and accordingly comes into thermal contact via the end face, in the case of the present invention, the measuring insert is tangentially attached by means of the coupling element guided past a wall of the container. Correspondingly, the thermal contact between the sensor element and the wall of the container takes place via a lateral surface of the measuring insert. Such an arrangement offers various advantages: On the one hand, a comparatively compact or space-saving design can be achieved. In addition, the coupling element according to the invention causes a significantly improved heat conduction between the medium and the sensor element, and consequently a significantly improved measurement accuracy with regard to the determination of the process variable, in particular the temperature of the medium or a variable related to the temperature, such as the flow rate or the flow. This is achieved in that a distance between the wall of the container and the sensor element is minimal in the solution according to the invention by means of the coupling element in the area of a lateral surface of the sensor element. With a suitable design of the coupling element or the arrangement of the bore in the base body relative to the contact surface, the distance can be minimized in a particularly simple manner, which results in improved heat conduction. It is advantageously possible to achieve a distance that is significantly smaller than a corresponding distance in other arrangements of the sensor element relative to the container. In addition, the coupling element according to the invention can be used to achieve surface contact with the wall of the container, which also increases the heat conduction from the medium to the sensor element and, as a result, improves the measurement accuracy.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Vorrichtung zumindest ein Referenzelement zur in situ Kalibrierung und/oder Validierung zumindest des Temperatursensors umfasst, welches an der äußeren Wandung des Behältnisses befestigt ist, und welches Referenzelement zumindest teilweise aus zumindest einem Material besteht, für welches Material im zur Kalibrierung des ersten Temperatursensors relevanten Temperaturbereich zumindest ein Phasenübergang bei zumindest einer vorgegebenen Phasenübergangstemperatur auftritt, für welchen Phasenübergang das Material in der festen Phase verbleibt. In dieser Hinsicht sei auf die
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass die Kontaktfläche zu einer Oberfläche korrespondierend ausgestaltet ist. Auf diese Art und Weise kann eine passgenaue Anordnung des Koppelelements relativ zur Wandung des Behältnisses erreicht werden. Typische Behältnisse, d.h. Behälter oder Rohrleitungen, weisen gekrümmte Oberflächen auf. Im Falle einer konvexen Oberfläche einer Wandung des Behältnisses ist demnach beispielsweise eine konkave Kontaktfläche des Koppelelements von Vorteil.A further configuration includes that the contact area is designed to correspond to a surface. In this way, a precisely fitting arrangement of the coupling element can be achieved relative to the wall of the container. Typical receptacles, ie containers or pipelines, have curved surfaces. In the case of a convex surface of a wall of the container, a concave contact surface of the coupling element is therefore advantageous, for example.
Noch eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Kontaktfläche zumindest teilweise aus einem verformbaren, insbesondere flexiblen oder duktilen, Material besteht, welches derart ausgestaltet ist, dass es an eine Kontur der äußeren Wandung des Behältnisses anpassbar ist. Die Kontaktfläche ist entsprechend an die Oberfläche der Wandung des Behältnisses anpassbar. Dies hat den Vorteil, dass geringe Nennweitenunterschiede, Formabweichungen und/oder Unebenheiten der Oberfläche der jeweiligen Wandung des Behältnisses durch das Koppelelement ausgeglichen werden können.Another configuration includes that the contact surface consists at least partially of a deformable, in particular flexible or ductile, material which is designed in such a way that it can be adapted to a contour of the outer wall of the container. The contact surface can be adjusted accordingly to the surface of the wall of the container. This has the advantage that small differences in nominal diameters, deviations in shape and/or unevenness in the surface of the respective wall of the container can be compensated for by the coupling element.
Eine Ausgestaltung des Koppelelements beinhaltet, dass die Bohrung in einem Endbereich geschlossen ist, welcher Endbereich sich insbesondere innerhalb eines Volumens des Grundkörpers befindet. Es handelt sich bei der Bohrung demnach um ein Sackloch, in welches das Sensorelement einbringbar ist.One configuration of the coupling element includes the bore being closed in an end area, which end area is located in particular within a volume of the base body. The bore is therefore a blind hole into which the sensor element can be inserted.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Koppelelement einen Schaft, welcher aus dem Grundkörper herausreicht und in der Bohrung mündet. Der Schaft ist parallel zur Bohrung und mit der Bohrung in einer Ebene angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um ein rohrförmiges, insbesondere zylindrisches Element zur Aufnahme des Messeinsatzes. Der Schaft kann an den Grundkörper angefügt oder einteilig mit dem Grundkörper hergestellt sein. Neben einer verbesserten mechanischen Stabilität und einer verbesserten thermischen Isolation gegenüber der Umgebung der Vorrichtung dient der Schaft der Verbesserung einer Wärmeleitung bzw. Wärmeführung vom Prozess zum Messeinsatz. Insbesondere kann durch die Verwendung eines Schafts erreicht werden, dass ein Bereich um den Messeinsatz herum, in welchem eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung erreicht werden kann, vergrößerbar ist.In a further embodiment, the coupling element comprises a shank which extends out of the base body and ends in the bore. The shank is parallel to the bore and coplanar with the bore. It is preferably a tubular, in particular cylindrical, element for accommodating the measuring insert. The shank can be attached to the base body or can be made in one piece with the base body. In addition to improved mechanical stability and improved thermal insulation from the environment of the device, the shaft serves to improve heat conduction or heat conduction from the process to the measuring insert. In particular, by using a shank it can be achieved that a region around the measuring insert, in which an essentially homogeneous temperature distribution can be achieved, can be enlarged.
Es ist von Vorteil, wenn das Koppelelement derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass eine Längsachse des Behältnisses, insbesondere einer Rohrleitung, und eine Längsachse der Bohrung in einem vorgebbaren Winkel, insbesondere senkrecht zueinander, angeordnet sind. Eine gewinkelte Anordnung der Bohrung relativ zur Längsachse des Behältnisses erlaubt eine besonders einfache Handhabung bzw. auf einfache Art und Weise eine Montage bzw. ein Entfernen des Sensorelements in die bzw. aus der Bohrung.It is advantageous if the coupling element is designed and/or arranged in such a way that a longitudinal axis of the container, in particular a pipeline, and a longitudinal axis of the bore are arranged at a predeterminable angle, in particular perpendicular to one another. An angled arrangement of the bore relative to the longitudinal axis of the container allows particularly simple handling or simple assembly or removal of the sensor element into or out of the bore.
In einer Ausgestaltung umfasst das Koppelelement einen Rohrleitungsabschnitt, welcher an der Kontaktfläche anliegend angeordnet ist, welcher Rohrleitungsabschnitt zum Führen des Mediums dient. Der Rohrleitungsabschnitt und das Koppelelement können in diesem Falle einerseits nachträglich miteinander verbunden oder von vornherein einstückig gefertigt sein. Es handelt sich in diesem Fall im Prinzip um ein Koppelelement in Form eines T-Stücks für eine Rohrleitung.In one embodiment, the coupling element comprises a pipe section, which is arranged adjacent to the contact surface, which pipe section is used to carry the medium. In this case, the pipeline section and the coupling element can either be subsequently connected to one another or manufactured in one piece from the outset. In this case, it is basically a coupling element in the form of a T-piece for a pipeline.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass im Bereich der Kontaktfläche eine Einheit umfassend zumindest teilweise ein Material mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise ein zumindest teilweise Kohlenstoff enthaltendes Material, insbesondere Graphit oder hexagonales Bornitrid, angeordnet ist, oder wobei der Grundkörper in einem der Kontaktfläche zugewandten Bereich bzw. im Bereich der Kontaktfläche aus dem Material mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit besteht. In diesem Zusammenhang sei auf die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
In einer Ausgestaltung des Koppelelements ist in einem der Kontaktfläche und der Bohrung abgewandten Bereich des Grundkörpers eine thermische Isolation aus einem thermisch isolierenden Material angeordnet, welche den Grundkörper zumindest teilweise umgibt, oder der Grundkörper besteht in diesem Bereich aus dem thermisch isolierenden Material. Diese Ausgestaltung beinhaltet demnach eine thermische Isolierung zu einer Umgebung des Koppelelements und des Behältnisses hin.In one configuration of the coupling element, thermal insulation made of a thermally insulating material is arranged in a region of the base body facing away from the contact surface and the bore, which at least partially surrounds the base body, or the base body consists of the thermally insulating material in this region. Accordingly, this configuration includes thermal insulation from the surroundings of the coupling element and the container.
Eine weitere Ausgestaltung des Koppelelements beinhaltet, dass der Grundkörper in einem der Kontaktfläche und der Bohrung zugewandten Bereich aus einem thermisch leitfähigen Material besteht. Diese Maßnahme dient der weiteren Verbesserung der Wärmeleitung von dem Medium bzw. von der Wandung des Behältnisses zu dem Sensorelement.A further configuration of the coupling element includes that the base body consists of a thermally conductive material in a region facing the contact surface and the bore. This measure serves to further improve the heat conduction from the medium or from the wall of the container to the sensor element.
In einer Ausgestaltung des Koppelelements ist der Grundkörper aus zumindest zwei Komponenten, insbesondere in Form einer geschichteten Struktur, aufgebaut. Es handelt sich somit um einen mehrkomponentigen bzw. mehrschichtigen Aufbau.In one configuration of the coupling element, the base body is made up of at least two components, in particular in the form of a layered structure. It is therefore a multi-component or multi-layer structure.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass der Grundkörper zumindest teilweise aus einem gesinterten Werkstoff oder einem Verbundwerkstoff hergestellt ist. Im Falle eines gesinterten Werkstoffes ist es ferner von Vorteil, wenn der gesinterte Werkstoff oder Verbundwerkstoff zumindest in einem Teilbereich ein Material mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, insbesondere ein Kohlenstoff enthaltendes Material, beispielsweise Graphit, enthält.
Es ist ebenfalls denkbar, dass die Einheit, welche das Material mit der anisotropen Wärmeleitfähigkeit umfasst, an den Grundkörper angefügt, insbesondere angesintert, ist. Insbesondere kann es sich bei dem Grundkörper auch um einen gesinterten Körper aus zwei oder mehreren Schichten handeln.A further embodiment includes that the base body is made at least partially from a sintered material or a composite material. In the case of a sintered material, it is also advantageous if the sintered material or composite material contains, at least in a partial area, a material with anisotropic thermal conductivity, in particular one containing carbon Material such as graphite contains.
It is also conceivable that the unit, which includes the material with the anisotropic thermal conductivity, is attached, in particular sintered, to the base body. In particular, the base body can also be a sintered body made of two or more layers.
Es ist ebenfalls denkbar, den Grundkörper aus einem gesinterten Werkstoff herzustellen, in welchem zumindest teilweise, insbesondere vollständig, ein zusätzliches, zweites Material eingebracht ist. Insbesondere kann dieses zusätzliche Material zumindest teilweise in die Poren des gesinterten Werkstoffes eingebracht sein. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um Graphit handeln, wobei das Graphit neben oder alternativ zu der oben genannten Funktion der gezielten Wärmeleitung beispielsweise als Festschmierstoff verwendet werden kann, durch welchen Festschmierstoff ein Kontaktwiderstand zwischen dem Grundkörper und dem Behältnis oder dem Grundkörper und dem Messeinsatz verringert werden kann. Es sei darauf verwiesen, dass neben Graphit auch andere Materialien, insbesondere auch als Festschmierstoff, in Betracht kommen, und ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.It is also conceivable to produce the base body from a sintered material, in which an additional, second material is introduced at least partially, in particular completely. In particular, this additional material can be introduced at least partially into the pores of the sintered material. This material can be graphite, for example, where the graphite can be used in addition to or as an alternative to the above-mentioned function of targeted heat conduction, for example as a solid lubricant, through which solid lubricant a contact resistance between the base body and the container or the base body and the measuring insert is reduced can be. It should be pointed out that, in addition to graphite, other materials, in particular also as a solid lubricant, can also be considered and also fall within the scope of the present invention.
Es ist von Vorteil, wenn das Koppelement einstückig ausgestaltet ist und insbesondere mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, vorzugsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens, hergestellt ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Koppelement zumindest zwei, insbesondere voneinander separat gefertigte, Koppel-Komponenten aufweist.It is advantageous if the coupling element is designed in one piece and is produced in particular by means of an additive manufacturing process, preferably by means of a 3D printing process. Alternatively, it is conceivable that the coupling element has at least two coupling components, in particular manufactured separately from one another.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Koppelelement schließlich Befestigungsmittel zur Befestigung des Grundkörpers an dem Behältnis. Die Befestigungsmittel sind vorzugsweise zumindest teilweise integraler Bestandteil des Koppelelements. Beispielsweise können die Befestigungsmittel Mittel zur Herstellung einer Klemmverschraubung, einer Schraubverbindung, einer Federverbindung oder ähnliches sein.In a further embodiment, the coupling element finally includes fastening means for fastening the base body to the container. The fastening means are preferably at least partially an integral part of the coupling element. For example, the fastening means can be means for producing a clamping screw connection, a screw connection, a spring connection or the like.
Zusammenfassend sind für das erfindungsgemäße Koppelelement zahlreiche unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar, welche einen tangentialen Verlauf der zumindest einen Bohrung relativ zur Kontaktfläche bzw. relativ zur Wandung des Behältnisses, an welcher die Kontaktfläche im an dem Behältnis befestigten Zustand anliegt, aufweisen. Einige besonders bevorzugte Varianten sind zuvor explizit beschrieben worden. Mögliche Ausgestaltungen des Koppelelements sind aber keineswegs auf die zuvor explizit benannten Varianten beschränkt. So ist beispielsweise eine schalenartige Ausgestaltung des Grundkörpers oder auch ein zumindest teilweise hohler Grundkörper denkbar. Auch hinsichtlich der Größe des Koppelelements relativ zum Durchmesser des Behältnisses beinhaltet die vorliegende Erfindung Gestaltungsraum. Das Koppelelement kann sowohl ein vergleichsweise großvolumiges Bauteil sein als auch eine kompakte, insbesondere schaftförmige oder schalenförmige Form aufweisen. Auch kann das Koppelelement, insbesondere der Grundkörper sowohl ein- als auch mehrteilig ausgestaltet sein.In summary, numerous different configurations are conceivable for the coupling element according to the invention, which have a tangential course of the at least one bore relative to the contact surface or relative to the wall of the container on which the contact surface rests when fastened to the container. Some particularly preferred variants have been explicitly described above. However, possible configurations of the coupling element are in no way limited to the variants explicitly mentioned above. For example, a shell-like design of the base body or an at least partially hollow base body is conceivable. The present invention also includes scope for design with regard to the size of the coupling element relative to the diameter of the container. The coupling element can be both a comparatively large-volume component and also have a compact, in particular shaft-like or bowl-like shape. The coupling element, in particular the base body, can also be designed in one piece or in several pieces.
Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Koppelelements, dass zur Realisierung einer nicht invasiven Anordnung eines Feldgeräts keine Änderungen an das Feldgerät selbst notwendig sind. Im Falle eines Feldgeräts in Form eines Thermometers beispielsweise kann ein typischer Thermometermesseinsatz verwendet und in die Bohrung des Koppelelements eingebracht werden.It is an advantage of the coupling element according to the invention that no changes to the field device itself are necessary to implement a non-invasive arrangement of a field device. In the case of a field device in the form of a thermometer, for example, a typical thermometer measuring insert can be used and inserted into the bore of the coupling element.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere der Temperatur, des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums in einem Behältnis umfassend ein Sensorelement und ein Koppelelement nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche.The object on which the invention is based is also achieved by a device for determining and/or monitoring a process variable, in particular the temperature, the flow rate or the flow rate, of a medium in a container comprising a sensor element and a coupling element according to at least one of the preceding claims.
Bei dem Sensorelement handelt es sich vorzugsweise um einen Temperatursensor, insbesondere in Form eines Widerstandselements oder eines Thermoelements. Das Sensorelement verfügt typischerweise ferner über Anschlussleitungen, welche ebenfalls zumindest teilweise in die Bohrung des Koppelelements einbringbar sind. Das Sensorelement und die zumindest eine Anschlussleitung sind beispielsweise Teil eines Messeinsatzes, insbesondere Mantelelements, welcher in die Bohrung des Grundkörpers des Koppelelements eingebracht wird.The sensor element is preferably a temperature sensor, in particular in the form of a resistance element or a thermocouple. The sensor element typically also has connection lines, which can also be introduced at least partially into the bore of the coupling element. The sensor element and the at least one connection line are, for example, part of a measuring insert, in particular a casing element, which is introduced into the bore of the base body of the coupling element.
Neben Vorrichtungen in Form von Thermometern kommen für die vorliegende Erfindung jedoch ebenfalls Durchflussmessgeräte in Betracht. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung vorzugsweise zudem ein Heizelement, welches an der äußeren Wandung des Behältnisses befestigbar, insbesondere vermittels des Koppelelements befestigbar, ist. Mittels der Heizeinheit kann das Sensorelement und ein das Sensorelement umgebender Bereich auf eine vorgebbare Temperatur geheizt werden. Unter den Begriff Durchfluss fallen im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl ein Volumendurchfluss als auch ein Massendurchfluss des Mediums. Ebenso kann eine Durchflussgeschwindigkeit oder Durchflussrate des Mediums ermittelt werden.However, in addition to devices in the form of thermometers, flowmeters can also be considered for the present invention. In this case, the device preferably also comprises a heating element which can be attached to the outer wall of the container, in particular by means of the coupling element. The sensor element and an area surrounding the sensor element can be heated to a predeterminable temperature by means of the heating unit. Within the scope of the present invention, the term flow includes both a volume flow and a mass flow of the medium. A flow velocity or flow rate of the medium can also be determined.
Beispielsweise kann der Durchfluss auf zwei unterschiedliche Arten bestimmt werden. Gemäß einem ersten Messprinzip wird ein Sensorelement derart beheizt, dass seine Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt. Bei bekannten, und zumindest zeitweise konstanten Mediumseigenschaften, wie der Mediumstemperatur, dessen Dichte oder auch Zusammensetzung, kann anhand der zum Halten der Temperatur auf den konstanten Wert notwendigen Heizleistung der Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung ermittelt werden. Unter der Mediumstemperatur sei dabei jene Temperatur verstanden, welche das Medium ohne einen zusätzlichen Wärmeeintrag eines Heizelements aufweist. Bei dem zweiten Messprinzip wird dagegen das Heizelement mit konstanter Heizleistung betrieben und die Temperatur des Mediums stromabwärts des Heizelements gemessen. In diesem Falle gibt die gemessene Temperatur des Mediums Aufschluss über den Massedurchfluss. Darüber hinaus sind aber auch noch andere Messprinzipien bekannt geworden, beispielsweise sogenannte transiente Verfahren, bei welchen die Heizleistung oder die Temperatur moduliert werden.For example, the flow can be determined in two different ways. According to a first measurement principle, a sensor element is heated in such a way that its temperature essentially remains constant. If the medium properties are known and at least temporarily constant, such as the medium temperature, its density or composition, the mass flow rate of the medium through the pipeline can be determined using the heating power required to keep the temperature at the constant value. The temperature of the medium is understood to mean that temperature which the medium has without an additional heat input from a heating element. With the second measuring principle, on the other hand, the heating element is operated with constant heating power and the temperature of the medium is measured downstream of the heating element. In this case, the measured temperature of the medium provides information about the mass flow. In addition, however, other measuring principles have also become known, for example so-called transient methods in which the heating power or the temperature are modulated.
Das Heizelement kann beispielsweise in Form einer Widerstandsheizung ausgeführt sein, welche über die Umsetzung von ihnen zugeführter elektrischer Leistung, z. B. in Folge einer erhöhten Stromzufuhr, erwärmt werden.The heating element can be designed, for example, in the form of a resistance heater, which, via the conversion of electrical power supplied to them, e.g. B. as a result of an increased power supply, are heated.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : ein Thermometer zur nicht invasiven Temperaturmessung nach Stand der Technik; -
2 : mögliche Ausgestaltungen für ein erfindungsgemäßes Koppelelement, welches schematisch im an einer Rohrleitung befestigten Zustand dargestellt ist; -
3 : mögliche Ausgestaltungen für ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Koppelelement und mögliche Befestigungsmittel zur Befestigung des Koppelelements an einem Behältnis in Form einer Rohrleitung; -
4 : eine mögliche Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Koppelelement mit einer thermischen Isolation; -
5 : eine erste mögliche Ausgestaltung für ein einstückig hergestelltes Koppelelement; und -
6 : eine zweite mögliche Ausgestaltung für ein einstückig hergestelltes Koppelelement.
-
1 : a prior art thermometer for non-invasive temperature measurement; -
2 : possible configurations for a coupling element according to the invention, which is shown schematically in the state attached to a pipeline; -
3 : possible configurations for a multi-part coupling element according to the invention and possible fastening means for fastening the coupling element to a container in the form of a pipeline; -
4 : a possible configuration for a coupling element according to the invention with thermal insulation; -
5 : a first possible configuration for a coupling element produced in one piece; and -
6 : a second possible embodiment for a one-piece coupling element.
In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen. Die Ausgestaltungen aus den verschiedenen Figuren sind ferner beliebig miteinander kombinierbar. Zudem betreffen zwar alle Figuren Behältnisse in Form von Rohrleitungen und Feldgeräte in Form von Thermometern. Jedoch ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf Rohrleitungen oder Thermometer beschränkt. Vielmehr lassen sich die jeweiligen Überlegungen ohne Weiteres auf andere Arten von Behältnissen und Feldgeräten übertragen.In the figures, the same elements are provided with the same reference numbers. The configurations from the various figures can also be combined with one another as desired. In addition, all of the figures relate to containers in the form of pipelines and field devices in the form of thermometers. However, the present invention is by no means limited to tubing or thermometers. Rather, the respective considerations can easily be transferred to other types of containers and field devices.
In
Der Messeinsatz 3 umfasst ein Sensorelement in Form eines Temperatursensors 5, welcher im vorliegenden Fall ein temperatursensitives Element in Form eines Widerstandselements umfasst. Der Temperatursensor 5 ist über die Anschlussleitungen 6a, 6b elektrisch kontaktiert und mit der Elektronik 4 verbunden. Während das gezeigte Thermometer 1 in kompakter Bauweise mit integrierter Elektronik 4 ausgeführt ist, kann bei anderen Thermometern 1 die Elektronik 4 auch separat von dem Messeinsatz 3 angeordnet sein. Auch muss es sich bei dem Temperatursensor 5 nicht notwendigerweise um ein Widerstandselement handeln und die Anzahl der verwendeten Anschlussleitungen 6 muss nicht notwendigerweise zwei betragen. Vielmehr kann die Anzahl der Anschlussleitungen 6 je nach angewendetem Messprinzip und verwendetem Temperatursensor 5 passend gewählt werden.The measuring
Wie bereits dargelegt, hängt die Messgenauigkeit eines solchen Thermometers 1 in hohem Maße von den jeweiligen für das Thermometer verwendeten Materialien und von den jeweiligen, insbesondere thermischen, Kontaktierungen, insbesondere im Bereich des Temperatursensors 5, ab. Der Temperatursensor 5 steht mittelbar, d.h. über den Messeinsatz 3 und über die Wandung W des Behältnisses 2, mit dem Medium M in thermischem Kontakt. Eine große Rolle spielt in diesem Zusammenhang auch eine Wärmeableitung vom Medium M an die Umgebung, welche für einen unerwünschten Temperaturgradienten im Bereich des Temperatursensors 5 führen kann.As already explained, the measuring accuracy of such a
Um diesen Problematiken geeignet zu begegnen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine alternative Ausgestaltung für eine nicht invasive Bestimmung einer Prozessgröße, beispielsweise mittels des Thermometer 1 vorgeschlagen, wie in den Figuren
Der Erfindung liegt die Verwendung eines Koppelelements 7 zugrunde, wie beispielsweise in
In
Auch für die Ausgestaltung des Grundkörpers 8 sind zahlreiche verschiedene Varianten denkbar, wie beispielsweise in den Figuren
In
Auch zur Befestigung der Koppel-Komponenten, hier der beiden Halbschalen 11a und 11b, miteinander sowie zur Befestigung des Grundkörpers 8 an dem Behältnis 2 sind verschiedene Varianten denkbar. Im Fall der in
In
Eine erste mögliche Ausgestaltung für ein einstückig hergestelltes Koppelelement 7 ist in
Während es sich im Falle der
In
Zusammenfassend ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein Standard-Messeinsatz 3, beispielsweise eines Thermometers 1, zur Realisierung eines nicht-invasiven Thermometers 1 verwendet werden kann. Zu diesem Zweck weist das erfindungsgemäße Koppelelement 7 eine Bohrung 10 zur Aufnahme des Messeinsatzes 3 auf. Eine Anpassung an die Geometrie des Behältnisses 2 erfolgt vermittels der Kontaktfläche 9 des Koppelelements 7. Im Gegensatz zu anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, verläuft eine Längsachse L des Messeinsatzes 3 tangential zur Wandung des Behältnisses W, wodurch eine verbesserte Wärmeleitung erreicht werden kann.In summary, it is an advantage of the present invention that a
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Behältniscontainer
- 33
- Messeinsatzmeasuring insert
- 44
- Elektronikelectronics
- 55
- Temperatursensortemperature sensor
- 66
- Anschlussdrähteconnecting wires
- 77
- Koppelelementcoupling element
- 88th
- Grundkörperbody
- 99
- Kontaktflächecontact surface
- 1010
- Bohrungdrilling
- 1111
- a,b Koppel-Komponenten, in Form von Halbschalena,b Coupling components in the form of half-shells
- 1212
- Endbereichend area
- 1313
- Befestigungsmittelfasteners
- 1414
- Einheit mit anistroper WärmeleitfähigkeitUnit with anisotropic thermal conductivity
- 1515
- thermische Isolation thermal insulation
- MM
- Mediummedium
- TT
- Temperaturtemperature
- WW
- Wandung des Behältnisseswall of the container
- LBLB
- Längsachse des Behälterslongitudinal axis of the container
- LKLK
- Längsachse des KoppelelementsLongitudinal axis of the coupling element
- αa
- Winkel zwischen den LängsachsenAngles between the longitudinal axes
- TT
- Tangentetangent
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102014118206 A1 [0007]DE 102014118206 A1 [0007]
- DE 102015113237 A1 [0007]DE 102015113237 A1 [0007]
- US 5382093 [0008]US5382093 [0008]
- US 2016/0047697 A1 [0009]US 2016/0047697 A1 [0009]
- DE 102005040699 B3 [0009]DE 102005040699 B3 [0009]
- EP 3230704 B1 [0009]EP 3230704 B1 [0009]
- EP 2038625 B1 [0009]EP 2038625 B1 [0009]
- EP 02612122 B1 [0022]EP 02612122 B1 [0022]
- DE 102017100267 A1 [0029]DE 102017100267 A1 [0029]
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Citations (8)
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---|---|---|---|---|
US5382093A (en) | 1993-02-22 | 1995-01-17 | Gay Engineering & Sales Co., Inc. | Removable temperature measuring device |
DE102005040699B3 (en) | 2005-08-25 | 2007-01-11 | Labom Meß- und Regeltechnik GmbH | Temperature measuring device, e.g. for contact free temperature measurement of medium flowing through pipe conduit, has measuring point having base for inserting into channel and temperature receiver in connection with base |
EP2038625B1 (en) | 2006-07-06 | 2011-08-10 | Epcos Ag | Temperature measuring device |
US20160047697A1 (en) | 2014-08-14 | 2016-02-18 | Abb Technology Ag | Application temperature pickup device for autonomously measuring the temperature of a container |
DE102014118206A1 (en) | 2014-12-09 | 2016-06-09 | Endress + Hauser Wetzer Gmbh + Co. Kg | temperature sensor |
EP2612122B1 (en) | 2010-08-31 | 2016-10-19 | Endress+Hauser Wetzer GmbH+CO. KG | Method and apparatus for calibrating a thermometer in situ |
DE102015113237A1 (en) | 2015-08-11 | 2017-02-16 | Endress + Hauser Wetzer Gmbh + Co Kg | Temperature measuring device for measuring the temperature of a medium in a container |
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Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4427181C2 (en) * | 1994-08-01 | 2001-03-22 | Siemens Ag | Device for holding the measuring tip of a thermocouple on a component |
DE29621433U1 (en) * | 1996-12-10 | 1998-04-16 | Landis & Gyr Tech Innovat | Temperature sensor |
US8870455B2 (en) * | 2011-09-15 | 2014-10-28 | Jeffrey N. Daily | Temperature sensing assembly for measuring temperature of a surface of a structure |
JP5962159B2 (en) * | 2012-04-10 | 2016-08-03 | ダイキン工業株式会社 | Fixed structure of temperature sensing element |
US10760742B2 (en) * | 2018-03-23 | 2020-09-01 | Rosemount Inc. | Non-intrusive pipe wall diagnostics |
EP3795971A1 (en) * | 2019-09-17 | 2021-03-24 | TE Connectivity India Private Limited | Fluid leak detector and fluid leak detection method based on heat transfer measurements |
-
2021
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Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5382093A (en) | 1993-02-22 | 1995-01-17 | Gay Engineering & Sales Co., Inc. | Removable temperature measuring device |
DE102005040699B3 (en) | 2005-08-25 | 2007-01-11 | Labom Meß- und Regeltechnik GmbH | Temperature measuring device, e.g. for contact free temperature measurement of medium flowing through pipe conduit, has measuring point having base for inserting into channel and temperature receiver in connection with base |
EP2038625B1 (en) | 2006-07-06 | 2011-08-10 | Epcos Ag | Temperature measuring device |
EP2612122B1 (en) | 2010-08-31 | 2016-10-19 | Endress+Hauser Wetzer GmbH+CO. KG | Method and apparatus for calibrating a thermometer in situ |
US20160047697A1 (en) | 2014-08-14 | 2016-02-18 | Abb Technology Ag | Application temperature pickup device for autonomously measuring the temperature of a container |
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